基于级联聚合物分散液晶的动态3D超表面全息技术

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动态3D超表面全息显示技术：基于级联聚合物分散液晶的创新研究

学术背景

超表面（Metasurface）作为一种二维亚波长结构，能够对光场的相位和振幅进行局部调制，为微型化光学器件设计提供了新的解决方案。然而，现有的超表面全息显示技术大多局限于静态特性，无法实现实时动态调制，这限制了其在智能显示系统中的应用。为了满足动态3D全息显示的需求，研究人员探索了多种主动超表面技术，包括多路复用超表面、结构修改超表面和集成超表面。其中，液晶（Liquid Crystal, LC）作为一种典型的光场调制材料，被广泛应用于主动超表面的设计中。然而，传统的液晶器件通常存在自由度低、信息容量有限、响应速度慢和串扰严重等问题。

为了解决这些问题，Sun等人首次提出了一种基于聚合物分散液晶（Polymer Dispersed Liquid Crystal, PDLC）和宽带超表面的级联器件，实现了超高对比度、快速响应和连续调制的动态3D全息显示。该研究为动态超表面全息显示技术提供了新的视角，具有重要的科学和应用价值。

论文来源

该论文由Shuo Sun、Jin Li、Xiaoxun Li、Xianyu Zhao、Kun Li和Liang Chen共同撰写，分别来自中国计量大学光学与电子技术学院、北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院、国家极弱磁场基础设施量子生物科技中心、东南大学电子科学与工程学院以及Camoptics（苏州）有限公司。论文于2024年发表在《Microsystems & Nanoengineering》期刊上。

研究流程与结果

1. PDLC器件的制备与性能表征

研究首先制备了具有高对比度和快速响应能力的PDLC器件。PDLC由低分子量液晶和高分子量聚合物组成，通过相分离形成液晶液滴。在没有外加电场时，液晶液滴随机分布，导致光散射；而在施加足够强的电场时，液晶液滴沿电场方向排列，光能够完全透过PDLC。研究人员通过精确控制PDLC的厚度（7 μm至18 μm），优化了其驱动电压和饱和电压。实验表明，13 μm厚度的PDLC器件在635 nm激光下表现出最佳性能，最小透射率低于5%，最大透射率超过80%，且响应时间低于10 ms。

2. 宽带高效超表面的优化

为了与宽带PDLC器件集成，研究人员设计并优化了基于非晶硅（α-Si）的超表面。通过有限时域差分法（FDTD）优化纳米柱的尺寸，实现了在整个可见光谱范围内超过40%的交叉偏振透射率（CR-Transmittance）。超表面的纳米柱通过光刻和蚀刻技术制备，具有500 nm的周期和600 nm的高度。通过旋转纳米柱的角度，超表面能够覆盖0-360°的完整相位范围，确保在全光谱范围内生成均匀的全息图像。

3. 基于PDLC-超表面的连续调制全息显示

研究人员将PDLC与超表面级联，构建了动态3D全息显示系统。通过电压调节PDLC的透射率，实现了全息图像光强度的连续调制。实验表明，随着电压从10 V增加到30 V，全息图像的强度逐渐增强，表现出超高对比度。此外，研究人员还开发了基于全息透镜的3D全息显示算法，通过多层虚拟全息透镜生成不同深度和颜色的全息图像。

4. 宽带低串扰多通道动态PDLC-超表面全息显示

研究进一步制备了四通道动态寻址3D全息显示器件。每个通道由独立的ITO电极控制，能够实现高对比度的全息图像切换。实验表明，激活单个通道时，其透射率超过80%，而其他通道的透射率低于0.06%，表现出极低的串扰。此外，通过结合473 nm、532 nm和635 nm激光，研究人员实现了宽带动态3D全息显示，全息图像能够在红、绿、蓝之间动态切换。

结论与意义

该研究首次实验验证了基于PDLC和宽带超表面的级联器件，实现了超高对比度、快速响应和连续调制的动态3D全息显示。通过优化PDLC的厚度和超表面的纳米柱尺寸，研究人员成功构建了自寻址、快速响应和多通道的PDLC-超表面器件，展示了单色全息图像切换和彩色全息显示的效果。该方法为动态3D全息显示技术提供了新的思路，具有广泛的应用前景，包括光通信、光加密、光存储和激光制造等领域。

研究亮点

  1. 创新性：首次将PDLC与宽带超表面级联，实现了动态3D全息显示。
  2. 高性能：PDLC器件具有高对比度（>80%）和快速响应（<10 ms），超表面在整个可见光谱范围内表现出高透射率（>40%）。
  3. 多通道低串扰：四通道动态寻址全息显示器件表现出极低的串扰，激活通道的透射率超过80%，而其他通道的透射率低于0.06%。
  4. 宽带显示：通过结合不同波长的激光，实现了红、绿、蓝全息图像的动态切换，展示了宽带动态3D全息显示的潜力。

其他有价值的信息

该研究得到了浙江省科技计划项目、国家自然科学基金优秀青年科学基金项目（海外）、浙江省高校基础研究基金和中国计量大学第27届学生科研项目的资助。研究团队还详细描述了PDLC和超表面器件的制备方法，包括PDLC的相分离聚合过程和超表面的光刻蚀刻技术，为未来的大规模生产和商业化应用提供了技术基础。